Разработка ресурсосберегающей технологии производства отливок из жаропрочных сплавов с использованием внутреннего электронагрева металла во время затвердевания

В настоящее время в условиях формирования конкурентной рыночной среды, либерализации внешнеэкономической деятельности и в связи с выходом российских предприятий на мировой рынок проблема обеспечения качества и конкурентоспособности изделий остается по прежнему актуальной. Это в особенной степени относится к производству высокоответственных и уникальных изделий, таких как газотурбинные двигатели (ГТД). Характерной особенностью современного газотурбинного двигателестроения — это многофункциональное назначение ГТД: ракетная техника, авиация, наземный и морской транспорт, энергомашиностроение. В зависимости от назначения ГТД к материалам и отдельным деталям двигателя предъявляются соответствующие требования по физико-механическим и эксплуатационным свойствам. Это в свою очередь обуславливает необходимость использования новых материалов с требуемым комплексом свойств, а также наиболее рациональных технологических процессов. Известно, что эксплуатационная надежность и ресурс ГТД в значительной степени определяется свойствами материала и качеством деталей высокотемпературного тракта: лопатки рабочей турбины и соплового аппарата, створки и др. В настоящее время детали изготавливаются из дорогостоящих жаропрочных сплавов с использованием ресурсои энергоемких технологических процессов литья по выплавляемым моделям. В соответствии с требованиями международных стандартов и системы качества в отливках не допускается использование в составе шихты металла вторичного переплава (возврата). Эти же требования распространяются и на технические условия литья лопаток для двигателей с повышенным ресурсом. Например, для энергетической турбины двигателя ГТД 110 требуется ресурс 25 тыс. часов до капитального ремонта. В связи с этим резко возрастают затраты производства и себестоимость отливок. Так для литья турбинной лопатки 4-й ступени ГТД 110 весом 10 кг высотой 700 мм в серийном технологическом процессе литейная прибыль составляет 50 кг при традиционной технологии (применение стояка с боковым подводом питания в перо лопатки). При использовании керамического войлока с неравномерным утеплением различных по высоте зон лопатки удаётся сократить вес прибыли до 16 кг. Возврат сплава (забракованные отливки, литниковые системы, прибыли и т. п.), остающийся на предприятии отправляют на металлургические заводы по цене на 70% ниже стоимости свежих исходных материалов. Используемые в настоящее время методы направленной кристаллизации (НК) при изготовлении лопаток ГТД, обеспечивают получение высококачественных отливок со столбчатой структурой и повышенными эксплуатационными свойствами при минимальных затратах на литниково-питающую систему. Однако, данный технологический процесс является неэкономичным и нецелесообразным для лопаток к которым не предъявляются требования по обеспечению столбчатой структуры. Это обусловлено длительностью процесса кристаллизации лопаток (-1,5 часа на 100 мм длины). Значительными затратами электроэнергии (-360 кВт/ч), а также формовочных материалов. Кроме того, для обеспечения стабильного технологического процесса необходимо использовать высокоэффективные автоматизированные средства управлением скорости перемещения формы относительно зоны нагрева, а для получения ориентации 001 приходится использовать специальные затравки. Всё это представляет определённые технологические трудности и создаёт высокую стоимость литья лопаток с направленной структурой.

Таким образом, на основании вышеизложенного, очевидно, что для решения общей проблемы обеспечение качества и конкурентоспособности отечественных газотурбинных двигателей на мировом рынке необходимо совершенствование технологических процессов литья высоконагруженных деталей ГТД на основе использования современных методов активного воздействия на процесс кристаллизации формирование структуры отливок.

Решение данной проблемы позволит существенно сократить издержки производства в части расходования материальных и энергетических ресурсов, снизить цену двигателя и обеспечить предприятиям отрасли конкурентоспособность на рынке газотурбинных двигателей.

Объектом исследований являются тонкостенные отливки из жаропрочных сплавов для ГТД.

Предметом исследований являются процессы направленного затвердевания и направленной кристаллизации отливок при воздействии на них электрического тока, обеспечивающее сокращение материальных и энергетических ресурсов.

Цель диссертационной работы.

Разработка высокоэкономичной технологии изготовления отливок ГТД на основе математического моделирования процессов затвердевания при пропускании электрического тока через металл внутри формы. Для достижения указанной цели требуется решение следующих основных задач:

1. Анализ материальных и энергетических затрат при производстве отливок для ГТД с использованием традиционных технологических процессов.

2. Разработка методики определения температурной зависимости теплофизических свойств жаропрочных сплавов.

3. Разработка математической модели и алгоритма программного обеспечения для расчёта технологических параметров литья с учётом внутреннего источника теплоты от воздействия электрического тока на материал отливки.

4. Получение критерия, характеризующего эффективность воздействия электрического тока, который позволяет проводить предварительный анализ возможности процесса направленного затвердевания с учетом трехмерной геометрической модели.

Научная новизна:

1. Разработана оригинальная методика, позволяющая расчетно-экспериментальным путем определить температурную зависимость теплофизических свойств жаропрочных сплавов в интервале кристаллизации жаропрочных сплавов.

2. Установлено влияние геометрических факторов отливки на параметры, определяющие формирование будущего типа макроструктуры при моделировании процесса затвердевания.

3. Исследованы особенности процесса затвердевания протяженных тонкостенных отливок при пропускании электрического тока через металл с целью разработки новых технологических процессов литья, обеспечивающих повышение плотности отливок, их механических свойств, экономию металла и электроэнергии.

4. Разработана трёхмерная математическая модель процесса направленного затвердевания при электронагреве отливки.

5. Предложен критерий интенсивности электронагрева Kj, позволяющий провести предварительный анализ возможности протекания процесса в данной отливке. Доказано, что управление процессом направленного затвердевания отливки возможно при обеспечении значения Kj=l в верхней части отливки.

6. Теоретически доказано, что последовательное затвердевание отливки возможно при условии возрастания критерия Kj как по высоте, так и в горизонтальном направлении от входной и выходной кромок пера лопатки к центру максимальной толщины профиля.

Практическая значимость работы:

1. Установленная зависимость изменения величины расхода материалов и энергоресурсов от массы отливок позволяет определить границы области применения разработанной технологии получения крупногабаритных отливок с заданной структурой.

2. Разработаны новые способ и устройство для направленной кристаллизации и направленного затвердевания отливок из жаропрочных сплавов для ГТД, обеспечивающие получение более высоких температурных градиентов и скорости кристаллизации, что позволило сократить затраты на производство отливок за счет сокращения времени кристаллизации и расхода жидкометаллического охладителя.

3. Разработана система предварительной критериальной оценки возможности направленного затвердевания с целью выбора соответствующего технологического обеспечения на стадии проектирования техпроцесса.

4. В программу расчёта литейных процессов «ПОЛИГОН» добавлена математическая модель теплового баланса для трёхмерных геометрических объектов с учётом внутренних источников теплоты от электронагрева, что позволяет расширить функциональные возможности программы «ПОЛИГОН».

5. Получена статистическая зависимость удельных энергозатрат от интервала кристаллизации, которая может быть использована для расчета нормативных показателей расхода электроэнергии при плавке сплавов.

6. Результаты исследований прошли промышленное опробование на ОАО «НПО» Сатурн". Использована программа расчёта на ЭВМ основных технологических параметров литья лопаток ГТД с равноосной структурой при электронагреве металла. Механические свойства лопаток соответствуют требованиям, предъявляемым к изделиям с равноосной и направленной структурами. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 3,1 млн. рублей в год за счёт снижения металлоёмкости и энергоёмкости процесса.

Автор защищает:

1. Результаты анализа особенностей процесса затвердевания отливок из жаропрочных сплавов при пропускании электрического тока через металл с целью разработки новой ресурсосберегающей технологии изготовления отливок необходимого качества.

2. Математическую модель процесса направленного затвердевания отливки включающую эффект внутреннего тепловыделения от электронагрева с учётом температурной зависимости удельного электросопротивления в интервале кристаллизации.

3. Основные принципы управления процессом направленного затвердевания отливки при её электронагреве, заключающиеся в поддержании постоянной температуры жидкого сплава на удалении от фронта изоликвидуса, что достигается изменением плотности тока или напряжения на отливке, а также обеспечением необходимой интенсивности теплоотдачи от отливки к поверхности печи подогрева.

4. Возможность использования критерия Kj, для предварительной оценки направленного затвердевания и направленной кристаллизации при воздействии электрического тока.

Достоверность полученных результатов подтвераедается:

1.Высокой сходимостью результатов расчетов, полученных при математическом моделировании и экспериментальных исследованиях электрических параметров, таких как сила тока и напряжения, которые свидетельствуют о работоспособности методики по определению теплофизических свойств и корректности математической модели, учитывающей тепловыделение внутри отливки от внутреннего источника электронагрева.

2. Совпадением результатов оценки предполагаемой макроструктуры, определяемой такими параметрами затвердевания как температурный градиент, скорость кристаллизации, со структурой, полученной на реальных отливках.

Апробация работы.

Тезисы докладов на X Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов», Рыбинск, РГАТА — 2000 — С. 8−9- тезисы доклада X Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов», Рыбинск, РГАТА 2000; С. 7−8- труды Международного Форума по проблемам науки, техники и образования. Том 1. Москва -2000. — С. 79−80- труды 5-го Съезда литейщиков России. Российская Ассоциация литейщиков. Москва 2001 -С. 256−259- тезисы доклада Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков», Рыбинск, РГАТА-2002г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в т. ч. 1 патент РФ, 1 свидетельство на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, 3 приложений, списка используемых источников, содержащего 105 наименований. Общий объем диссертации 167 стр., содержит 61 рис. и 15 таблиц.

4.3 Выводы.

Наиболее важные результаты заключаются в следующем.

1. Разработана Инструкция УГМет ОАО «РМ» № 131−09−0057−2000 нового технологический процесс литья, обеспечивающего повышение плотности отливок, их механических свойств.

2. Разработан и опробован в производстве высокопроизводительный метод получения протяжённых отливок с направленным затвердеванием путём пропускания через отливку в процессе её формирования электрического тока в оболочковых формах с температурой ниже солидуса сплава.

3. Получены положительные результаты по испытаниям механических свойств образцов и лопаток ГТД, а также Решение о внедрении данной технологии для литья крупногабаритных лопаток двигателя ГТД 110.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выполнен анализ затрат на материалы и электроэнергию при производстве отливок ГТД по номенклатуре литья НПО Сатурн, в ходе которого установлена зависимость удельного расхода электроэнергии на приготовление сплава с учетом его интервала кристаллизации, позволяющая определить нормативный расход электроэнергии на плавку.

2. На основе полученной зависимости изменения величины расхода материалов и энергоресурсов от массы отливки определена область применения предлагаемой технологии. Установлено, что наиболее целесообразно изготавливать отливки массой более 10 кг с использованием технологии с электронагревом.

3. Разработана методика определения температурной зависимости удельного электросопротивления сплавов в жидком и твёрдом состояниях. Полученные значения удельного электросопротивления были использованы при моделировании процесса затвердевания.

4. С учетом особенностей затвердевания сплава в условиях электронагрева разработана трехмерная математическая модель расчета затвердевания отливок сложной конфигурации, что позволяет определить такие технологические, параметры литья как сила тока и напряжение для обеспечения направленного затвердевания и направленной кристаллизации отливок из жаропрочных сплавов.

5. Полученный критерий Kj, позволяет провести предварительный анализ возможного процесса направленного затвердевания с учетом геометрических особенностей отливки и теплофизических свойств сплава. Направленное затвердевание отливки будет обеспечено, если значение данного критерия будет монотонно возрастать по вертикали в направлении снизу вверх, а по горизонтали в направлении от тонкой части сечения (выходной кромки) к более массивной (входной кромке).

6. Доказана адекватность математической модели затвердевания на примере моделирования процесса направленной кристаллизации отливок типа.

ЛОПАТКА и ПРОСТАВКА, которое показало, что разработанная математическая модель может быть использована как при расчете процесса направленного затвердевания, так и для моделирования процесса направленной кристаллизации тонкостенных отливок высотой до 120 мм за счет торцового теплоотвода, и протяженных отливок при использовании дополнительных технологических приемов, таких как погружение в жидкометаллический охладитель.

7. Разработанные способ и устройство для реализации процесса направленного затвердевания обеспечивают более высокий температурный градиент и скорость кристаллизации, как в тонких, так и в массивных частях отливки. Это позволяет сократить время кристаллизации и расход жидкометаллического охладителя, тем самым уменьшить затраты электроэнергию и материал охладителя. На данное техническое решение получен патент.

8. Получены положительные результаты по испытаниям механических свойств образцов и лопаток ГТД, а также Решение о внедрении данной технологии для литья крупногабаритных лопаток двигателя ГТД 110.